一种高精度星间距离和时差联合测量方法技术

本发明专利技术公开了一种高精度星间距离和时差联合测量方法，包括以下步骤：(1)根据基于时分体制和ADS

【技术实现步骤摘要】
一种高精度星间距离和时差联合测量方法


[0001]本专利技术属于测量
，尤其是涉及一种高精度星间距离和时差联合测量方法。

技术介绍

[0002]随着微小卫星编队逐渐成为航天领域的热点，高精度的星间测距和星间时差测量作为微小卫星编队相对导航中两项不可分割的关键支撑技术也得到了愈来愈多的关注。其中，在星间时差测量基础上可以建立星间时钟同步，进而为利用测得的星间距离进行导航解算提供统一的时间基准。
[0003]导航星共视法和星间微波(radio frequency，RF)自主测量方法均可以实现星间测距和星间时差测量。星间微波自主测量方法可以有效克服导航星共视法只能在低地球轨道达到较高测量精度、导致应用范围受限的问题，且该方法不依赖于外部系统，具有良好的自主性，因而得到了广泛应用。代表性的例子为PRISMA，GRACE，GRAIL和GRACE
‑
FO微小卫星编队。PRISMA编队搭载了S波段星间测距和测角系统，GRACE，GRAIL和GRACE
‑
FO编队则搭载了K波段高精度星间测距系统(K
‑
band Ranging System,KBR)。运行于月球轨道的GRAIL编队搭载了基于时差测量的S波段时钟同步设备(Time Transfer Assembly，TTA)实现星间时钟同步。
[0004]然而，目前关于高精度星间微波测距和时差测量的研究是相互独立的，这就要求卫星搭载两套独立的星间测距和星间时差测量设备(如GRAIL编队)，导致星上导航系统过于复杂。若能用一套设备实现联合测量，这对体积和功耗受限的微小卫星平台而言具有重要的意义。
[0005]Reza Monir Vaghefi等学者针对地面无线传感器网络应用，对基于双程测量模型的联合测量问题进行研究，同时Bernhard Etzlinger等的研究进一步针对移动分布式网络，提出一种距离和时差联合测量模型。但是上述研究存在两个主要的问题：一是所面向的应用动态小，测量精度要求也仅为亚米级。二是这些研究的重点在于定位估计算法，并不考虑实际的测量误差源，也不考虑联合测量如何实现，而仅是基于联合测量基本模型，根据需求精度简单地将所有误差以噪声的形式加到测量值上。这显然离星载高精度联合测量的实现和应用还有很大的差距。
[0006]需要指出的是，星间时差不像距离那样可以直观地获得，因此联合测量中时差测量的验证需要解决建立更高精度时差测量基准的关键问题。传统的基准设计采用高精度时间间隔计数器测量不同节点的1PPS信号的时差值，该方法的优点在于实现简单，但是高精度时间间隔计数器的精度受限于自身步长，满足本专利技术验证需求的超高精度时间间隔计数器的设计极为复杂，同时时间间隔计数器计数的过程中，节点间的时差也由于频偏而不断变化，导致最终测得的时差精度进一步降低。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供了一种高精度星间距离和时差联合测量方法，可以同时实现厘米级的测距精度和百皮秒级时差测量精度，有效解决了已有研究中高精度的星间测距和时差测量不能同时获得的问题，为实现多星编队的微小型化、高精度RF导航建立了基础。同时，本专利技术为实现对联合测量中高精度时差测量的验证，提出一种基于码分复用的高精度时差测量基准设计新方法。
[0008]一种高精度星间距离和时差联合测量方法，包括以下步骤：
[0009](1)根据基于时分体制和ADS
‑
TWR方法的多星测量方案，通过获取两个卫星间三次测量的信号发射或接收时刻，计算出信号收发时间间隔与三次测量的信号传输时间；
[0010](2)基于三次测量的信号传输时间，计算两个卫星之间的距离；
[0011](3)基于距离测量值和卫星时间信息，计算出两卫星间的时差；
[0012](4)在构建了上述联合测量的基本模型后，对联合测量的各个误差源进行深入分析和建模；
[0013](5)基于高精度联合测量的建模结果，最终实现并验证高精度星间联合测量。
[0014]步骤(1)的具体过程为：
[0015]假设卫星编队由K颗卫星组成，编号为1～K，并将一个完整的测量周期划分为编号1～K的K个时隙；每一颗卫星在与自身编号相同的时隙内广播测量信号，其余时隙内只接收测量信号，测量信号使用扩频伪码的方式调制前两次测距信息；每一时隙，除正在发射信号的卫星外，其余各卫星通过对伪码相位的测量提取出当前的信号接收时刻和发射时刻；编队内任意两颗卫星间的三次信号传输即完成一次非对称双边双程测量；
[0016]获取卫星A和卫星B之间三次测量信号，第一次信号传输为卫星A在T
A
(t1)发射，卫星B在T
B
(t2)接收，第一次信号传输时间为T
tof1
；第二次信号传输为卫星B在T
B
(t3)发射，卫星A在T
A
(t4)接收，第二信号传输时间为T
tof2
；第三次信号传输为卫星A在T
A
(t5)发射，卫星B在T
B
(t6)接收，第三次信号传输时间为T
tof3
；
[0017]卫星A第一次信号传输时的发送时刻与第二次信号传输时的接收时刻间隔为T
rdA
，卫星A第二次信号传输时的接收时刻与第三次信号传输时的发送时刻间隔为T
reA
，卫星B第一次信号传输时的接收时刻与第二次信号传输时的发送时刻间隔为T
reB
，卫星B第二次信号传输时的发送时刻与第三次信号传输时的接收时刻间隔为T
rdB
。
[0018]步骤(2)中，计算两个卫星之间的距离公式为：
[0019][0020]式中，R为卫星A和卫星B之间的距离，c为光速。
[0021]步骤(3)中，选取t3时刻来计算两卫星间的时差ΔT，公式为：
[0022]ΔT＝T
A
(t4)
‑
R/c
‑
T
B
(t3)
[0023]=[T
A
(t3)
‑
T
B
(t3)]+[T
A
(t4)
‑
T
A
(t3)
‑
R/c]。
[0024]步骤(4)中，联合测量的各个误差源包括频率源误差、卫星运动引入的卫星动态误差、测量系统产生的伪码跟踪噪声、电离层延时误差和设备硬件延时误差；测量系统产生的伪码跟踪噪声包括伪码相位抖动噪声、接收机热噪声和动态应力误差。
[0025]对联合测量的各个误差源进行建模时，选取t3时刻双星之间的距离作为参考距离R
AB
，其对应的信号传输时间为T
tofAB
，对电离层延时和硬件延时进行补偿后，得到距离和时差测量误差建模结果E
R
和E
ΔT
如下所示：
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高精度星间距离和时差联合测量方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据基于时分体制和ADS
‑
TWR方法的多星测量方案，通过获取两个卫星间三次测量的信号发射或接收时刻，计算出信号收发时间间隔与三次测量的信号传输时间；(2)基于三次测量的信号传输时间，计算两个卫星之间的距离；(3)基于距离测量值和卫星时间信息，计算出两卫星间的时差；(4)在构建了上述联合测量的基本模型后，对联合测量的各个误差源进行深入分析和建模；(5)基于高精度联合测量的建模结果，最终实现并验证高精度星间联合测量。2.根据权利要求1所述的高精度星间距离和时差联合测量方法，其特征在于，步骤(1)的具体过程为：假设卫星编队由K颗卫星组成，编号为1～K，并将一个完整的测量周期划分为编号1～K的K个时隙；每一颗卫星在与自身编号相同的时隙内广播测量信号，其余时隙内只接收测量信号，测量信号使用扩频伪码的方式调制前两次测距信息；每一时隙，除正在发射信号的卫星外，其余各卫星通过对伪码相位的测量提取出当前的信号接收时刻和发射时刻；编队内任意两颗卫星间的三次信号传输即完成一次非对称双边双程测量；获取卫星A和卫星B之间三次测量信号，第一次信号传输为卫星A在T
A
(t1)发射，卫星B在T
B
(t2)接收，第一次信号传输时间为T
tof1
；第二次信号传输为卫星B在T
B
(t3)发射，卫星A在T
A
(t4)接收，第二信号传输时间为T
tof2
；第三次信号传输为卫星A在T
A
(t5)发射，卫星B在T
B
(t6)接收，第三次信号传输时间为T
tof3
；卫星A第一次信号传输时的发送时刻与第二次信号传输时的接收时刻间隔为T
rdA
，卫星A第二次信号传输时的接收时刻与第三次信号传输时的发送时刻间隔为T
reA
，卫星B第一次信号传输时的接收时刻与第二次信号传输时的发送时刻间隔为T
reB
，卫星B第二次信号传输时的发送时刻与第三次信号传输时的接收时刻间隔为T
rdB
。3.根据权利要求2所述的高精度星间距离和时差联合测量方法，其特征在于，步骤(2)中，计算两个卫星之间的距离公式为：式中，R为卫星A和卫星B之间的距离，c为光速。4.根据权利要求3所述的高精度星间距离和时差联合测量方法，其特征在于，步骤(3)中，选取t3时刻来计算两卫星间的时差ΔT，公式为：5.根据权利要求4所述的高精度星间距离和时差联合测量方法，其特征在于，步骤(4)中，联合测量的各个误差源包括频率源误差、卫星运动引入的卫星动态误差、测量系统产生的伪码跟踪噪声、电离层延时误差和设备硬件延时误差；测量系统产生的伪码跟踪噪声包括伪码相位抖动噪声、接收机热噪声和动态应力误差。6.根据权利要求5所述的高精度星间距离和时差联合测量方法，其特征在于，步骤(4)
中，对联合测量的各个误差源进行建模时，选取t3时刻双星之间的距离作为参考距离R
AB
，其对应的信号传输时间为T
tofAB
，对电离层延时和硬件延时进行补偿后，得到距离和时差测量误差建模结果E
R
和E
ΔT
如下所示：E
ΔT
＝T
tof2
·
...

【专利技术属性】
技术研发人员：金小军，林晨，莫仕明，侯聪，张伟，徐兆斌，金仲和，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：